專利名稱：一種改進(jìn)的具有電輸入與電輸出裝置的熱電單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱電發(fā)電與制冷單元，尤其涉及熱電發(fā)電機與/或制冷器，其利用由緊密連接的熱電偶制成的輪環(huán)(torus)，這些熱電偶利用具有低的電阻和高的塞貝克效應(yīng)的熱電結(jié)，使得由熱電元件兩端的最大溫差所感應(yīng)的很大的電流在輪環(huán)內(nèi)循環(huán)。
為了尋求可靠的無噪音的并且沒有運動部件的用于把熱能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換器，使工程師們重新認(rèn)識被稱為熱電效應(yīng)的現(xiàn)象。一百多年來已為人們所知的這些效應(yīng)，使得能夠研制小的自含的電源，然而因為其太小而未找到在家庭或商業(yè)發(fā)電上的實際應(yīng)用。
一種普通的電開關(guān)一般僅使用同一種金屬，其中不試圖加熱或冷卻任何元件，不會由于開關(guān)元件之間的不同而產(chǎn)生熱電電壓。常規(guī)開關(guān)中的電阻在電流流經(jīng)開關(guān)時會引起電壓降，并構(gòu)成流經(jīng)由開關(guān)的閉合而建立的閉合電路的循環(huán)電流的電阻負(fù)載。
基于塞貝克效應(yīng)的熱電發(fā)電與制冷是一種物理現(xiàn)象，根據(jù)這種現(xiàn)象，使用熱電偶檢測溫度，熱電偶由兩種不同的一般是金屬或金屬的合金的材料交叉重疊而形成。如所熟知的那樣，具有被保持在不同溫度下的一對結(jié)的熱電偶產(chǎn)生電位差，該電位差被用于測量兩個結(jié)之間的特定的溫度差。一個施加的溫度差將在熱電偶兩端產(chǎn)生電壓，或在產(chǎn)生流經(jīng)熱電偶的環(huán)路的電流，構(gòu)成小容量的發(fā)電裝置。熱電發(fā)電的這個方面被廣泛地用于太空應(yīng)用中，例如用于在1977年發(fā)射的至今已有20多年而仍然發(fā)回圖像的VoyagerⅠ和VoyagerⅡ衛(wèi)星上。在熱電發(fā)電的這種應(yīng)用中，放射性材料為熱電發(fā)電機提供熱能，因而提供長壽命的能源。類似的熱電發(fā)電裝置也將用于即將到來的Cassini土星飛行。熱電固態(tài)能量轉(zhuǎn)換的優(yōu)點包括體積小，重量輕，無噪音操作和在長的壽命期間內(nèi)無故障地發(fā)電。
熱電發(fā)電和制冷已有大約一百多年的歷史了，是由塞貝克在1822年發(fā)現(xiàn)的。多年來，對塞貝克的工作進(jìn)行了大量的改進(jìn)與分析，并根據(jù)對這個早期的發(fā)現(xiàn)而進(jìn)行的改進(jìn)申請了許多專利。這方面的大部分工作涉及尋找產(chǎn)生最高的塞貝克結(jié)電壓的金屬組合或合金，用于串聯(lián)的熱電偶或熱電元件，以便產(chǎn)生高的電壓，用于提供電流向電氣負(fù)載供電。
大部分熱電發(fā)電機使用一組串聯(lián)連接的結(jié)，用于產(chǎn)生驅(qū)動電氣負(fù)載的電流。一般地說，具有高的塞貝克電壓的材料也具有趨于減少通過電路的電流的高的電阻。先前的熱電發(fā)電機和制冷器使用合金，以便對在相同的熱電偶溫差下產(chǎn)生高的塞貝克電壓。合金的塞貝克電壓一般是構(gòu)成該合金的工業(yè)純金屬(99％)的幾倍，然而發(fā)現(xiàn)合金的電阻一般是純金屬的10倍。如果電路只含有產(chǎn)生流經(jīng)電路的電流的串聯(lián)的熱電元件，則在任何熱電元件中的較高的電阻將急劇地減少流經(jīng)電路的電流。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在許多方面和以下的美國專利不同，這些專利是Buist申請的4,859,250,5,022,928,Fritts申請的2,919,553,3,326,727,Von Koch申請的3,119,739,Harkness申請的3,090,875,Toulmin申請的2,864,879,Salver申請的2,425,647,Findley申請的2,415,005,以及本發(fā)明人申請的下列美國專利4,997,047 High Speed Electromagnetically AcceleratedEarth Drill；5,024,137 Fuel Assisted Electromagnetic Launcher；5,168,118 Method for Electromagnetic Acceleration of anObject；5,168,939 Oil Well Drill；5,393,350 Thermoelectric Generator and Magnetic EnergyStorage Unit；以及5,597,976 A Thermoelectric Generator and Magnetic EnergyStorage Unit with Controllable Electric Output。
本發(fā)明的目的在于使由熱電發(fā)電機產(chǎn)生的電功率為最大，并提供一種實用的轉(zhuǎn)換器，其可以產(chǎn)生可以用于直接而不需要借助于公用電網(wǎng)向家庭和工業(yè)負(fù)載供電的交流電壓和電流。
本發(fā)明的另一個目的在于使在熱電結(jié)的輪環(huán)中循環(huán)的電流為最大，并借以使在強磁場中存儲的能量最大。使循環(huán)電流為最大是通過下述方法實現(xiàn)的1減少輪環(huán)內(nèi)的內(nèi)部電阻；
2如此選擇用于構(gòu)成輪環(huán)的熱電結(jié)的材料，使得產(chǎn)生最高的電流，這和低的內(nèi)部電阻一致；以及3使熱片和冷片之間的熱流最小，借以保持各個結(jié)具有最高的溫差，因而具有最高的塞貝克驅(qū)動電壓。
具體地說，本發(fā)明的熱電單元使用這樣的材料構(gòu)成熱電結(jié)，使得熱電結(jié)產(chǎn)生符號相反的塞貝克電壓，這里稱為p型材料系統(tǒng)和n型材料系統(tǒng)，并且所用的材料具有高的塞貝克電壓和高的導(dǎo)電率(低的電阻)。
本發(fā)明的另一個目的在于，通過干擾輪環(huán)內(nèi)的循環(huán)電流而產(chǎn)生0-240V范圍內(nèi)的交流的(“AC”)或者直流的(“DC”)高能電輸出功率。
本發(fā)明的一個附加的目的在于，通過使用涂敷有一薄層熱電材料的高電導(dǎo)率和高導(dǎo)熱率的銅或銀芯，提供一種使p型和n型熱電元件具有改進(jìn)的導(dǎo)電率和高的塞貝克電壓的新方法。熱電元件的上述結(jié)構(gòu)形成作為高塞貝克電壓、高電導(dǎo)率發(fā)電機工作的熱電結(jié)，借以在輪環(huán)內(nèi)產(chǎn)生較高的循環(huán)電流，因而在相同的溫差和熱流下，從熱電發(fā)電機輸出較高的功率。
本發(fā)明的一個附加的目的在于，在熱電元件以及熱片和冷片之間使用有螺紋的結(jié)，使得熱電元件作為熱電阻器，用于減少熱片和冷片之間的熱流，借以增加熱電結(jié)上的溫差，因而增加熱電單元的總的熱電轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的另一個目的在于，使用通過利用具有互補的高塞貝克電壓的不同金屬鍍敷有螺紋的銅芯而形成的熱電元件，使得高電導(dǎo)率的熱電元件也產(chǎn)生高的熱電結(jié)電壓。
本發(fā)明的另一個目的在于，通過在熱片和冷片的兩側(cè)上上開槽用于接收熱電元件來減少片兩端的電阻，熱電元件安裝在槽中，借以減少從熱片或冷片的一邊到另一邊的熱電元件之間的長度。
本發(fā)明的另一個目的在于，局部地把有螺紋的桿包括螺紋在內(nèi)壓扁成為橢圓形，使得保留螺紋桿上的螺紋，同時又減少交錯的熱結(jié)和冷結(jié)之間的材料距離和電阻。
本發(fā)明的一個附加目的在于，使用薄的金屬涂層作為電阻的銅連接器，用于熱電元件的螺紋的尖端和熱金屬片以及冷金屬片連接，因為由電鍍金屬層制成的互連和連結(jié)比合金的熱電結(jié)不呈現(xiàn)較小的電阻。
本發(fā)明的一個有關(guān)的目的在于，使用電鍍層在熱片和冷片以及熱電元件上提供抗腐蝕抗氧化層，例如通過用鉑或鈀電鍍熱片上的火焰和熱氣接觸到的區(qū)域，或作為排出的用于加熱熱電發(fā)電機的氣體的催化轉(zhuǎn)換劑，借以減少污染，同時阻止加熱的熱片氧化。
本發(fā)明的另一個附加的目的在于，使用電鍍層形成金屬平面連接，使得改善熱電結(jié)的壽命，使其和環(huán)境隔絕，并在器件的壽命期間保持結(jié)的高塞貝克電壓特性。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種使用低導(dǎo)熱率熱電元件的熱電單元，所述熱電元件由沿著導(dǎo)電的低導(dǎo)熱率的縱向表面相互連結(jié)的兩半構(gòu)成，這樣構(gòu)成的低導(dǎo)熱率熱電元件被接收在在熱電單元的熱片和冷片中形成的槽中。
本發(fā)明的另一個目的在于，使用專用的帶箍包圍熱電單元，用于承受在輪環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的洛侖茲力，帶箍圍繞環(huán)形的電流存儲環(huán)固定，在熱電結(jié)上保持預(yù)應(yīng)力。
本發(fā)明的另一個目的在于，使用帶箍包圍熱電單元，帶箍中具有絕緣間隙，對作為二次繞組的帶箍解耦。
本發(fā)明的一個有關(guān)的目的在于，在由熱片和冷片形成的環(huán)和帶箍之間設(shè)置彈簧，用于保持所需的預(yù)應(yīng)力，以便克服洛侖茲力，而不管由于溫度變化而使線圈收縮和膨脹。
本發(fā)明的另一個目的在于，構(gòu)成一種包圍熱片的新型的黑色箱體，把紅外線熱再次反射回?zé)崞瑥亩纳萍訜釤崞氖业男?，借以升高熱片的溫度，增加熱電結(jié)兩邊的溫差，增加在輪環(huán)中循環(huán)的電流的幅值，增加作為熱電發(fā)電機的熱電單元的電功率輸出效率，所有這些都是對相同數(shù)量的燃料而言的。
本發(fā)明的另一個目的在于，使用流體，例如空氣，水，或其它液體從熱電發(fā)電機的冷片吸走熱量，并然后能夠在熱泵、散熱器或其它裝置中使用所述流體，從而吸走流體中的熱量，使流體冷卻，然后再通過熱電單元使流體循環(huán)。
本發(fā)明的另一個目的在于，利用小功率的磁致動的功率輸出開關(guān)，該開關(guān)由縱向振動的螺紋銜鐵構(gòu)成，銜鐵沿一個方向受電磁線圈的機械作用，在相反方向上受彈簧作用。銜鐵被設(shè)置在在一對直接相鄰的片之間形成的較大的螺紋孔中，銜鐵和孔二者都有相同螺距的螺紋。螺紋銜鐵和螺紋孔構(gòu)成一個通斷開關(guān)，用于打開和閉合一個電流通過輪環(huán)而循環(huán)的環(huán)路，使得當(dāng)銜鐵的螺紋和孔在上下兩個位置接觸時，電流通過輪環(huán)，當(dāng)不接觸時，則在輪環(huán)中的電流的中斷產(chǎn)生用于驅(qū)動電氣負(fù)載的電輸出，這樣，所述開關(guān)作為一種低功率輸入高功率輸出器件而工作。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種機械輸入，用于致動在利用熱電單元發(fā)電時使用的振動開關(guān)的電磁線圈，或者使用手指操作的機械方法，其中一個單向彈簧驅(qū)動的振動體迫使電磁線圈振動若干個周期，直到熱電單元的電輸出能夠自供電給一個正弦波發(fā)生器為止，所述正弦波發(fā)生器為振動、電壓產(chǎn)生、電流遮斷開關(guān)供電。此外，手指操作的壓電發(fā)生器可以首先提供用于點燃燃燒室的火花。在熱電單元達(dá)到操作溫度之后，然后使用壓電發(fā)生器存儲足夠的電能，用于給正弦波發(fā)生器供電，從而驅(qū)動電磁線圈，直到熱電發(fā)電機的功率輸出可以驅(qū)動外部電負(fù)載為止。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種新的方法，用于從通過輪環(huán)循環(huán)的電流中吸取電能，其中通過在輪環(huán)中的一個熱電結(jié)的直接相鄰的一對片之間插入霍耳效應(yīng)開關(guān)，并通過控制外部施加的垂直于通過輪環(huán)而循環(huán)的電流的磁場而不必斷開輪環(huán)。在施加外部磁場時，一個電壓出現(xiàn)在輪環(huán)的兩邊，其和磁場強度以及循環(huán)電流成正比，并根據(jù)外部磁場的特性，可以以交流或直流的形式從熱電單元中吸取功率。用這種方式產(chǎn)生的電功率可被用于操作電氣負(fù)載，而不中斷通過輪環(huán)流動的循環(huán)電流，并且沒有振動或噪聲。
本發(fā)明的另一個目的在于，通過控制施加于為熱電發(fā)電機產(chǎn)生熱量的燃燒室的燃料的流動來控制由熱電單元產(chǎn)生的電壓。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種熱電發(fā)電機，其燃燒來自外部安裝在熱電單元上的箱體中的甲烷、丙烷或丁烷氣體。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種熱電發(fā)電機，其通過對熱片下方的風(fēng)冷的燃料燃燒區(qū)提供向上開口的排氣管使得可以燃燒任何類型的燃料。
本發(fā)明的另一個目的在于，在熱電發(fā)電機的頂上在排熱管開口的上方提供一個輔助的柵格，用于接收用于烹調(diào)的容器。
本發(fā)明的熱電單元通過使大電流流經(jīng)串聯(lián)的最好被設(shè)置而形成輪環(huán)的熱電偶而建立磁場。通過對熱片提供熱量，使冷片冷卻，并干擾環(huán)路中的循環(huán)電流，可以從這種熱電單元中吸取電能。用這種方式產(chǎn)生的電能可以是高電壓，高能的交流或直流輸出。發(fā)電機的效率取決于熱電結(jié)使用具有互補的高塞貝克電壓，高導(dǎo)電率(低電阻)以及在直接相鄰的一對熱片和冷片之間的具有相當(dāng)?shù)偷膶?dǎo)熱率的交錯的p型和n型材料系統(tǒng)。
驅(qū)動電流通過輪環(huán)的電壓是圍繞形成熱電單元的輪環(huán)的串聯(lián)連接(電氣短路)的環(huán)路的熱電電壓之和。熱電單元提供電功率的能力可以通過由結(jié)數(shù)乘以熱電結(jié)電壓乘以通過輪環(huán)而循環(huán)的電流來確定。輪環(huán)的環(huán)形作為變壓器的一次側(cè)工作，在由循環(huán)電流產(chǎn)生的磁場中存儲著能量。對循環(huán)電流的合適的干擾將產(chǎn)生向外部負(fù)載供電的電壓。
另一些結(jié)構(gòu)在直接相鄰的一對熱片和冷片之間提供相當(dāng)?shù)偷膶?dǎo)熱率，同時還提供高的導(dǎo)電率(低電阻)。在這些低導(dǎo)熱率元件的一個實施例中，被設(shè)置在熱片和冷片之間并和熱片冷片并置的螺紋桿的短段可以減少熱流，并借以相應(yīng)地增加溫差，并且當(dāng)用作發(fā)電機時增加熱電單元的熱電效率。為了改善用于發(fā)電的單元的熱電轉(zhuǎn)換效率，連接熱片和冷片的螺紋的尖端適當(dāng)?shù)赝糠筇峁┗パa的高塞貝克電壓的作為電子發(fā)射器和電子收集器的材料。用這種方式構(gòu)成的熱電結(jié)的作用相當(dāng)于一個熱阻器，其具有沿著螺紋桿的楔形邊緣徑向操作的平面熱梯度，從而大大減少通過熱電結(jié)的熱流，同時在螺紋尖端和熱片與冷片之間保持高的溫差。熱電結(jié)的這種結(jié)構(gòu)和實心的不同金屬塊配合而形成的用于發(fā)電的熱電結(jié)相比，在發(fā)電性能方面，其熱電轉(zhuǎn)換效率提高10倍。通過在熱片和冷片之間附加熱阻，用于產(chǎn)生通過輪環(huán)而循環(huán)的預(yù)定電流所需的熱量被減少80％。通過含有這些涂敷的螺紋桿來在熱片和冷片之間形成熱電結(jié)，可以使熱電轉(zhuǎn)換效率從4％提高到12％。這種熱電單元的改進(jìn)的熱設(shè)計在熱電單元使用相同的熱量(燃料)和相同的重量(質(zhì)量)的情況下可以提供較大功率的發(fā)電機/輸出裝置。
為了進(jìn)一步提高輪環(huán)中的導(dǎo)電率(減少電阻)，在熱片和冷片中形成槽，使得減少通過輪環(huán)而循環(huán)的電流經(jīng)過的距離。在裝配輪環(huán)時，在熱片和冷片中的槽接收低導(dǎo)熱率元件，例如上述的螺紋桿。通過使熱片和冷片開槽來除去銅路徑長度的一半，對于L/A為1的銅路徑，使由于銅路徑長度而產(chǎn)生的電阻從1.72×10-6歐姆減少到8.6×10-7歐姆，這使通過輪環(huán)而循環(huán)的電流的數(shù)量增加一倍，而在低導(dǎo)熱率熱電結(jié)元件兩邊的溫差只減少百分之幾。
局部地把螺紋桿壓扁成為橢圓形減少了ρL/A中的L，因而進(jìn)一步增加通過輪環(huán)而循環(huán)的電流。由于壓扁螺紋桿的一種專用模具包括螺紋，從而在壓扁期間保留螺紋桿上的螺紋。通過局部壓扁螺紋桿，使螺紋尖端在局部壓扁的螺紋桿的一側(cè)上和熱片接觸，而在另一邊，螺紋桿和冷片接觸，來減少熱電元件內(nèi)圍繞環(huán)路的長度。通過把螺紋桿局部壓扁可以減少交錯的熱結(jié)和冷結(jié)之間的材料距離和電阻。
由在低導(dǎo)熱率元件上涂鍍的材料而形成的互連與連接不呈現(xiàn)對于合金熱電結(jié)所發(fā)生的高的電阻率。因此，環(huán)形的熱電單元可通過應(yīng)用薄的金屬鍍層在桿的螺紋尖端和構(gòu)成輪環(huán)的熱金屬片與冷金屬片之間形成歐姆銅連接來進(jìn)行裝配。鍍層也可以有利地用于形成保護(hù)層，防止熱片和冷片的腐蝕和氧化，并用于保護(hù)低導(dǎo)熱率熱電元件。在火焰和熱氣接觸到的區(qū)域熱片的鉑或鈀的鍍層作為當(dāng)熱電單元用作熱電發(fā)電機時而產(chǎn)生的排出氣體的催化轉(zhuǎn)換劑。這具有減少污染的效果，同時防止當(dāng)熱電單元用于發(fā)電時熱片被氧化。如果熱電發(fā)電機被安裝在內(nèi)燃發(fā)電機內(nèi)以便由內(nèi)燃發(fā)電機的廢氣加熱，則減少污染是尤其重要的。在本發(fā)明中，這種鍍層可以用于形成類似于半導(dǎo)體器件中的硅平面結(jié)的金屬平面結(jié)，從而改善結(jié)的壽命，使其和環(huán)境隔絕，并在器件的壽命期間內(nèi)維持結(jié)的高塞貝克電壓特性。
改進(jìn)的元件使電阻從10-6減少到10-7歐姆，并對于每組熱電結(jié)使塞貝克電壓增加一倍。選擇的用于互補高塞貝克電壓的材料被鍍在無氧的，局部壓扁的有螺紋的銅桿上。這些低導(dǎo)熱率元件具有有螺紋的橫截面，以便減少熱流，增加溫差，并增加發(fā)電機的整個熱電效率。
被設(shè)置在直接相鄰的熱片和冷片之間的低導(dǎo)熱率元件的另一種結(jié)構(gòu)是裝入在熱片和冷片中形成的槽中的銷柱。這些銷柱由沿著在熱片和冷片之間的導(dǎo)電的低導(dǎo)熱率的縱向表面相互鄰接的兩半構(gòu)成。每個低導(dǎo)熱率元件可被鍍上對熱電偶提供互補的高塞貝克電壓的材料層。這些材料可以從包括鉍，康銅，鎳，硒，碲，硅，鍺，銻，鎳鉻合金，鐵，鎘，鎢，金，銅，鋅和銀的組中選擇，并且鉍和銻是分別用于提供p型結(jié)和n型結(jié)的優(yōu)選材料。鍍在低導(dǎo)熱率元件上的鍍層可以用導(dǎo)電層例如銅覆蓋。代替用構(gòu)成熱電結(jié)的互補高塞貝克電壓材料涂敷低導(dǎo)熱率元件，或除去用構(gòu)成熱電結(jié)的互補高塞貝克電壓材料涂鍍低導(dǎo)熱率元件之外，在熱片和冷片中的槽可以利用上述材料涂鍍。每個片的第一側(cè)上的槽利用提供一種類型的結(jié)的材料層涂鍍，而在每個片的相對側(cè)上的槽利用提供另一種類型的結(jié)的材料涂鍍。然后，這些片被如此設(shè)置，使得相同的材料形成涂鍍接收相同的低導(dǎo)熱率元件的槽的層。相同的材料可以和用于涂鍍低熱導(dǎo)率元件一樣用于涂鍍所述的槽，并且用于涂鍍槽的材料也可以用導(dǎo)電材料覆蓋。
專用帶箍包圍著熱電發(fā)電機，用于承受由通過輪環(huán)而循環(huán)的電流產(chǎn)生的洛侖茲力。當(dāng)電流在一個環(huán)路中流動時，電流在其自身上施加一個力，這個力被稱為洛侖茲力。該力的方向沿徑向，并可用公式F=q(E+V×B)來描述。帶箍被裝在輪環(huán)上，以便在片和低熱導(dǎo)率元件之間的電連接處保持預(yù)應(yīng)力。帶箍用于維持預(yù)應(yīng)力，以便抵銷大的循環(huán)電流產(chǎn)生的洛侖茲力。帶箍含有絕緣間隙，以便對帶箍解耦，使其不成為作為變壓器的原繞組作用的電流環(huán)的變壓器的二次繞組，如果從通過環(huán)形熱電單元而循環(huán)的電流吸取能量的話。設(shè)置在帶箍和熱片與冷片之間的線圈彈簧使帶箍可以保持用于克服洛侖茲力所需的應(yīng)力，盡管由于溫度變化使輪環(huán)收縮與膨脹。
如果熱電單元用作發(fā)電機，為了改善用于加熱熱片的室的效率，圍繞熱片構(gòu)成一個新型的黑色箱體，用于把紅外熱再次反射回?zé)崞Ｔ诶没鹧婕訜崞鞴ぷ鲿r，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)催化燃燒器產(chǎn)生的熱量的大部分呈紅外輻射的形式。這種紅外輻射通過熱片行進(jìn)，在排氣口被排掉。黑色箱體的設(shè)置把這紅外輻射的一部分送回?zé)崞?，對在燃燒室?nèi)燃燒相同數(shù)量的燃料而言，可以升高熱片的溫度，增加熱電結(jié)的溫差，增加環(huán)路中電流的幅值，增加發(fā)電機的潛在的電功率輸出。
作為發(fā)電機工作的熱電單元的兩個實施例使用液體冷卻作為冷片的冷源。在一種開口的槽形容器中，所有的冷片被浸在水槽中，當(dāng)水從熱電的冷結(jié)吸收足夠的熱量而沸騰時就蒸發(fā)。一種封閉的支管裝置使用液體冷卻熱電單元的冷片，辦法是或者使水或液體冷卻劑通過冷片一次然后再將冷卻劑排出，或者使水或液體冷卻劑通過散熱器再循環(huán)以便冷卻液體，然后在封閉和連續(xù)的條件下使液體通過熱電單元再循環(huán)。
作為發(fā)電機操作的熱電單元的另一個實施例采用風(fēng)冷。一個由熱電發(fā)電機產(chǎn)生的電能的一小部分供電的吹風(fēng)機對著冷片吹風(fēng)，從而從熱電結(jié)吸取熱量，并把熱量傳遞給氣流而排放在環(huán)境中或在熱泵或其它系統(tǒng)中使用。
通過破壞由循環(huán)電流產(chǎn)生的磁場，在輪環(huán)內(nèi)循環(huán)的大的電流允許從熱電單元中吸取電能。作為發(fā)電機操作時，可以用不同的方式從熱電單元吸取功率。一種簡單的吸取電功率的方式是使用縱向振動的有螺紋的銜鐵，其位于一個在直接相鄰的一對片之間形成的直徑較大的有螺紋的孔中。振動銜鐵借助于電磁線圈的機械作用沿一個方向被驅(qū)動，而借助于彈簧的作用沿另一個方向被驅(qū)動。用這種方式操作時，有螺紋的銜鐵和孔形成一個通斷開關(guān)，其打開與閉合通過輪環(huán)而循環(huán)的電流的環(huán)路。當(dāng)銜鐵的螺紋和孔在上下位置接觸時，電流通過輪環(huán)流動。而當(dāng)銜鐵和有螺紋的孔不接觸時，圍繞輪環(huán)的電流的中斷產(chǎn)生通常用于驅(qū)動外部電負(fù)載的電輸出。如果熱片和冷片由相似的材料制成并由陶瓷隔片分開而提供有螺紋的孔，同時銜鐵由在熱電性能方面和熱片與冷片不同的材料制成則是有利的。用這種方式，當(dāng)金屬的銜鐵接觸熱片和冷片的不同的材料時，銜鐵的縱向運動產(chǎn)生塞貝克電壓。
電磁線圈機械地激勵振動電壓產(chǎn)生開關(guān)。電磁線圈由正弦波發(fā)生器供電，正弦波發(fā)生器在熱電發(fā)電機開始工作之后從熱電發(fā)電機中接收功率。開關(guān)沿縱向振動的頻率是由于磁場的破壞而感應(yīng)的輸出電壓的頻率的一半。為了啟動電磁線圈的振動作用而不使用電池，發(fā)明了兩種方法；(1)手指操作的機械方法，其中使用單向彈簧賦能的振動裝置強迫電磁線圈振動若干周期，直到發(fā)電機的電輸出本身可以給正弦波發(fā)生器供電為止，以及(2)首先存儲用于向正弦波發(fā)生器供電的電能的手指操作的壓電方法。手指，彈簧以及振動裝置的質(zhì)量機械地使電磁線圈，因而同樣使振動開關(guān)，操作若干周期，使得通過機械裝置而不使用電池使熱電發(fā)電機自啟動。振蕩的振動裝置停止在離開電操作的銜鐵的位置，并準(zhǔn)備在需要時進(jìn)行另一次手動啟動或手指觸發(fā)。通過把按鈕壓電器件裝入電路中，手指操作的壓電發(fā)生器也可以用于點火熱電發(fā)電機的燃燒器。壓電發(fā)生器可以提供足夠的功率，用于強迫電磁線圈振動若干周期，直到熱電發(fā)電機的電輸出產(chǎn)生足以操作振動開關(guān)的功率為止。
從循環(huán)電流吸取電能的另一種方法是使用霍耳效應(yīng)器件。垂直于在固定導(dǎo)體中流動的電流施加的磁場在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電壓，其和電流垂直并和施加的外部磁場垂直。用這種方式產(chǎn)生的電壓叫做霍耳電壓。如果磁場改變極性(或是正弦的)，霍耳電壓也將是正弦的，從而產(chǎn)生交流電壓。通過把接點(連接)放在環(huán)中一個熱電結(jié)的一段的兩端，并通過控制外部施加的磁場，電壓將出現(xiàn)在接點上，該電壓和磁場強度以及循環(huán)電流成正比。根據(jù)外部磁場的特性，可以以交流或直流的形式從發(fā)電機環(huán)路中吸取電功率?？梢圆恢袛喹h(huán)中的電流而吸取電能。對外部磁路的低電壓輸入使得從發(fā)電機產(chǎn)生高電壓輸出，該高電壓輸出可以用于操作電氣負(fù)載。不需要打開開關(guān)，因而沒有振動或噪聲。
當(dāng)一個特斯拉的磁場施加于通過50,000安培的熱電單元中的一個特定的熱電段上時，在該段上則產(chǎn)生1600V的霍耳電壓。調(diào)節(jié)施加的磁場強度可以控制輸出電壓，施加的磁場的頻率決定輸出的電功率的頻率。通過使用三個不同的霍耳開關(guān)部分，并通過利用微處理器-控制器控制磁場，可以產(chǎn)生具有三個不同輸出的三相功率。
用于新型的熱電發(fā)電機的輸出電壓控制的一種最簡單的方法是控制供給燃燒室的燃料的流量，從而控制在熱電系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的熱量，改變存儲的磁能的數(shù)量。通過大致地控制在發(fā)電機內(nèi)的燃燒室的燃料流量，控制發(fā)電機的結(jié)的溫差，相當(dāng)均勻的通過熱電結(jié)到冷片的熱量然后或者通到水池通過沸騰帶走熱量，或者送到由風(fēng)扇強制風(fēng)冷的環(huán)境空氣中。在最簡單的改型中，通過增加熱量，電壓增加到所需的120V或208V，用于操作家用或工業(yè)負(fù)載。更復(fù)雜的，已經(jīng)成功地使用固態(tài)電壓控制，不過，這是適用于第三世界國家的最簡單的方法。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于，本發(fā)明的熱電發(fā)電機通過在沒有運動部件的系統(tǒng)中燃燒任何所需類型的燃料產(chǎn)生有用的電流。
本發(fā)明的一個附加的優(yōu)點在于，提供了一種改進(jìn)的元件，其由無氧的局部壓扁的具有有螺紋的截面的銅芯上鍍上選擇的高塞貝克材料制成，把電阻從10-6歐姆減少到10-7歐姆，對于每個連接元件組，使塞貝克電壓提高一倍，使熱流減少，增加溫差，因而增加發(fā)電機的整個熱電轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明的一個更大的優(yōu)點在于，增加了熱片和冷片之間的熱阻，用于驅(qū)動電流所需的熱量被減少80％，使熱電轉(zhuǎn)換效率從4％上升到12％。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點在于，使輪環(huán)由熱電元件構(gòu)成，所述熱電元件由特殊類型的工業(yè)純金屬鍍上互補的高塞貝克電壓材料而成，使電流提高了10倍，這是因為，和由純金屬的合金的組合制成的結(jié)相比，純金屬的電阻減少了10倍。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點在于，形成了類似于半導(dǎo)體技術(shù)中硅平面結(jié)的金屬平面熱電結(jié)，改善了熱電結(jié)的壽命，使熱電結(jié)和環(huán)境隔離，并在器件的壽命期間維持熱電結(jié)的高塞貝克電壓特性。
本發(fā)明的這些和其它的優(yōu)點特點和目的通過下面結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可更加清楚地看出。


圖1是本發(fā)明的熱電發(fā)電機的透視圖，表示熱電發(fā)電機的外部特征和氣體燃料箱；圖2是表示輪環(huán)、熱電元件、以及熱電發(fā)電機的振動輸出開關(guān)的透視圖；圖3是表示輪環(huán)、熱電元件、以及熱電發(fā)電機的振動輸出開關(guān)的頂視圖；圖4是用于約束熱電發(fā)電機的預(yù)先施加應(yīng)力的絕緣帶箍的透視圖；圖5是表示輪環(huán)、熱電元件、環(huán)，以及熱電元件和帶箍之間的彈簧的局部頂視圖；圖6是在熱的和冷的銅片之間使用銅桿進(jìn)行熱電元件的歐姆連接的示意圖；圖7是在熱的和冷的銅片之間使用鐵桿進(jìn)行熱電元件的互補連接的示意圖；圖8是一個示意圖，上圖表示在熱片和冷片之間的有螺紋的桿狀低導(dǎo)熱率元件，下面相應(yīng)的曲線表示在一對熱片和冷片之間的溫度梯度和片之間的位置的關(guān)系，說明熱電轉(zhuǎn)換效率比圖9所示的實心的由不同材料制成的熱電偶增加10倍；圖9是一個示意圖，上圖表示在熱片和冷片之間的實心的不同材料，下面相應(yīng)的曲線表示在一對熱片和冷片之間的溫度梯度和片之間的位置的關(guān)系，說明熱電轉(zhuǎn)換效率比圖8所示的有螺紋的桿狀低熱導(dǎo)率元件減少10倍；圖10是表示有螺紋的桿狀低導(dǎo)熱率元件被裝配到熱片和冷片的槽中時的示意地局部截面圖；圖11是表示具有開槽的熱片和冷片的熱電結(jié)的電流路徑的長度的示意圖，下面是熱電結(jié)的電模型；圖12是表示串聯(lián)的具有開槽的熱片和冷片的熱電結(jié)的電流路徑的長度的示意圖，下面是串聯(lián)的熱電結(jié)的電模型；圖13A是用作低導(dǎo)熱率元件的的有螺紋的桿的縱剖面示意圖和橫截面示意圖；圖13B是用作低導(dǎo)熱率元件的的被局部壓平的有螺紋的桿的縱剖面示意圖和橫截面示意圖，說跨過局部壓平的桿的縮短的電路長度；圖14是壓平的低導(dǎo)熱率元件在開槽的熱片和冷片中對齊時的橫截面示意圖；圖15是表示被涂鍍的熱電結(jié)和在熱片和冷片上的催化涂層的示意的局部截面圖；圖16是表示由銅焊或電鍍而形成的平面熱電結(jié)的局部截面圖；圖17是通過熱電發(fā)電機的中心線取的示意的截面圖，表示把紅外熱從排氣口返回?zé)崞暮谏潴w再加熱器；圖18是表示空氣冷卻的通過熱電發(fā)電機的中心線取的示意的局部截面圖；圖19是表示水冷卻的通過熱電發(fā)電機的中心線取的示意的局部截面圖；圖20是熱電發(fā)電機的水冷管道的示意的項視圖；圖21是用于熱電發(fā)電機的機電自啟動系統(tǒng)的示意圖，其使用圖25所示的振動開關(guān)，其中利用壓電發(fā)生器用于點燃?xì)怏w供能的熱電發(fā)電機中的燃燒室；圖22是使用圖25所示的電流中斷振動開關(guān)的用于啟動熱電發(fā)電機的機械裝置的示意圖；圖23是處于開路狀態(tài)的用于從熱電發(fā)電機中提取電功率的振動的電流遮斷開關(guān)的示意圖；圖24是處于閉路狀態(tài)的振動的電流遮斷開關(guān)的示意圖；圖25是振動電流遮斷開關(guān)的示意的截面圖，圖A表示閉合狀態(tài)，其中不同的金屬銜鐵被電磁線圈吸起，使得銜鐵螺紋和熱片及冷片的螺紋接觸，圖B表示開路狀態(tài)，銜鐵處于中部，不接觸熱片和冷片，圖C表示閉合狀態(tài)，銜鐵由彈簧向下加力，使得銜鐵螺紋和熱片及冷片的螺紋接觸；圖26是振動電流遮斷開關(guān)的示意圖，其中利用電容振蕩電路，以便改善電輸出波形的正弦波質(zhì)量；圖27是示意的頂視圖，表示使用振動電流遮斷開關(guān)實現(xiàn)熱電發(fā)電機的電輸出連接；圖28是熱電發(fā)電機的熱電偶輪環(huán)的示意圖，表示用于從輪環(huán)中吸取功率而不中斷電流的的霍耳效應(yīng)器件，圖A表示朝向紙面的疊加的磁場，圖B表示背離紙面的疊加的磁場，說明在導(dǎo)體中電流向著一側(cè)急速前進(jìn)時，電子的移動在導(dǎo)體中產(chǎn)生跨過導(dǎo)體的，垂直于磁場和電流的電壓；圖29是熱電發(fā)電機的熱電偶輪環(huán)的示意圖，表示一個霍耳效應(yīng)器件，其產(chǎn)生由MOSFET開關(guān)遮斷的電壓，從而產(chǎn)生交流輸出電流；圖30是熱電發(fā)電機的熱電偶輪環(huán)的示意圖，表示在輪環(huán)中的電流和相關(guān)的磁場；圖31是低導(dǎo)熱率元件的示意圖，其也是和熱片與冷片接觸的霍耳效應(yīng)器件，并且還說明電流，熱流，霍耳效應(yīng)器件的疊加的磁場和跨在低導(dǎo)熱率元件上的電壓；圖32是低導(dǎo)熱率元件-霍耳效應(yīng)器件的示意圖，表示被夾在熱片與冷片之間的元件和與電功率輸出電路的電氣串聯(lián)連接；圖33是局部剖視示意圖，表示被夾在熱片與冷片之間的低導(dǎo)熱率元件-霍耳效應(yīng)器件；圖34A是縱剖面示意圖，表示跨過兩個低導(dǎo)熱率元件-霍耳效應(yīng)器件的6極電磁體；圖34B是跨過冷片的6極電磁體的端部縱剖面示意圖35是熱電發(fā)電機的示意圖，表示在對系統(tǒng)供熱的情況下，熱源，冷源，以及在以發(fā)電方式工作的輪環(huán)中的電流；圖36是以冷卻方式工作的熱電發(fā)電機的示意圖，用于熱電制冷，把熱量吸入系統(tǒng)的一部分中，并把其轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的另一部分；圖37是低導(dǎo)熱率元件的另一個實施例的平面圖，其借助于鄰接兩個半個元件而形成導(dǎo)電的，低導(dǎo)熱率的縱向表面而形成；圖38A-C是用于說明熱電結(jié)的另一個實施例的平面圖，其使用圖27所示的另一個實施例的低導(dǎo)熱率元件構(gòu)成；圖39是一個示意圖，說明由圖2-5所示的輪環(huán)產(chǎn)生電功率的另一種技術(shù)；以及圖40是一個示意圖，說明在圖2-5所示的輪環(huán)在用于熱電制冷時的操作。
在圖1-3中，適用于作為熱電發(fā)電機40的熱電單元利用在緊密堆疊的熱電偶的輪環(huán)60中的大的循環(huán)電流來產(chǎn)生合適的電輸出。串聯(lián)的熱電偶構(gòu)成輪環(huán)60，每個熱電偶55(圖10和圖15所示)包括熱片66和冷片65以及夾在其間的低導(dǎo)熱率元件64。如圖10,15,16所示，導(dǎo)電材料層67T,94Au，和94Ag可以插在低導(dǎo)熱率元件64和片65與66之間。熱電發(fā)電機40還包括圓周裝置(帶箍61)，用于把熱電偶保持在輪環(huán)60內(nèi)，用于在熱片66(圖6,7，和10)的加熱端51加熱熱片66的裝置(圖17中的燃燒器77)，用于在冷片65的冷卻端53冷卻(圖17-20中的水82或空氣100)冷片65的裝置，和用于從輪環(huán)60中吸取電輸出電流的裝置(圖3和23-27中的振動開關(guān)70，圖29的霍耳效應(yīng)發(fā)生器140，或圖39中的科耳皮茲振蕩器159)。如圖35所示，從熱源150經(jīng)過包括在輪環(huán)60中的熱電結(jié)到達(dá)散熱器151的熱流感應(yīng)通過輪環(huán)60而循環(huán)的電流，如圖35字母I和箭頭所示。
在圖6和圖7中，每個熱片66被制成一個細(xì)長的元件，具有接觸端52和加熱端51，每個冷片65被制成一個細(xì)長的元件，具有接觸端54和冷卻端53。每個片65和66由相同材料，即具有高電導(dǎo)率最好是工業(yè)純銅制成。熱片和冷片66和65在接觸端用至少一個低導(dǎo)熱率元件64隔開并和其接觸，低導(dǎo)熱率元件具有由高的互補塞貝克電壓的不同導(dǎo)電金屬制成的表面。如果低導(dǎo)熱率元件64由一種材料制成，這種材料最好是工業(yè)純鎳。每個低導(dǎo)熱率元件64可被鍍上一層導(dǎo)電材料層67或67A，例如工業(yè)純銅層67或鐵層67A，用于和片65,66接觸。
在圖8和圖10-16中，低導(dǎo)熱率元件64T和64FT以及導(dǎo)電材料層67被構(gòu)成，使得具有和熱片與冷片66,65接觸的小的表面積，以便減少熱傳遞。低熱導(dǎo)率元件64T和導(dǎo)電材料層67T在和熱片與冷片66,65接觸的外表面上制成有螺紋。如圖8的曲線所示，和圖9所示的無螺紋的低導(dǎo)熱率元件64相比，有螺紋的桿狀低導(dǎo)熱率元件64T和導(dǎo)電材料層67T使熱的和冷的熱電結(jié)之間的溫差增加10倍，從而使熱電轉(zhuǎn)換效率增加。
在圖13和圖14中，低導(dǎo)熱率元件64FT和導(dǎo)電材料層67FT包括螺紋被局部地壓扁并加上螺紋，以便減少熱片和冷片66G,65G之間的距離和通過輪環(huán)60而循環(huán)的電流的行進(jìn)長度L。低導(dǎo)熱率元件64T,64FT和電導(dǎo)體是分別可用鎳和銅制成的有螺紋的桿，其被局部地壓扁成為橢圓形，以便通過減少電流行進(jìn)的長度而減少電阻，同時維持熱片和冷片66,65之間的最大的溫差。
在圖10-12和14中，為了進(jìn)一步減少L的長度，每個熱片和冷片66G,65G包括在每個片65G,66G的接觸端52和54的每側(cè)上形成的至少一個槽38。槽38接收接觸導(dǎo)電材料層67FT的低導(dǎo)熱率元件64FT，借以減少電流的行程L的長度，如圖11和12所示。
在圖15和16中，每個有螺紋的低導(dǎo)熱率元件64T和導(dǎo)電材料層67T以及熱片和冷片66G,65G的每個槽38被鍍上從包括銀和金的組中選擇的稀有金屬層94Au和/或94Ag，以便增加在低導(dǎo)熱率元件64和片65,66中的槽38之間的連接處的導(dǎo)電率。
用于互連構(gòu)成輪環(huán)60的熱電元件的材料系統(tǒng)的選擇是通過考慮具有很低的電阻率，而不貢獻(xiàn)塞貝克電壓的材料是否將較大地增加通過輪環(huán)60而循環(huán)的電流，或者考慮相反類型的材料是否貢獻(xiàn)足夠的互補的塞貝克電壓，以便補償這種材料的較高的電阻率來進(jìn)行的。例如，被夾在熱和冷的銅片66和65之間的有螺紋的銅的低導(dǎo)熱率元件64不產(chǎn)生塞貝克電壓，但是銅的電阻率是1.72×10-6歐姆-厘米，這和將產(chǎn)生互補的塞貝克電壓的金屬例如電阻率為6.80×10-6歐姆-厘米的鎳相比，是非常低的。對于使用有螺紋的鐵的低導(dǎo)熱率元件64的輪環(huán)60，其電阻率為9.71×10-6歐姆-厘米，產(chǎn)生18.5×10-6微伏/℃的電壓，為了使循環(huán)電流最大，鐵應(yīng)當(dāng)是合理的選擇。然而，困難在于，可得到的最好的鐵(純度99.99％)只產(chǎn)生3.0×10-6微伏/℃，而不是18.5×10-6微伏/℃。從這一材料限制看來，最好的材料選擇應(yīng)當(dāng)是使用銅的低導(dǎo)熱率元件64，以便使通過輪環(huán)60循環(huán)的電流最大。如果能夠以合理的價格獲得在前面提到的手冊中的塞貝克電壓，則應(yīng)當(dāng)使用鐵的有螺紋的低導(dǎo)熱率元件64構(gòu)成輪環(huán)60中的熱電結(jié)。
圖37說明被設(shè)置在直接相鄰的熱片和冷片66,65之間的低導(dǎo)熱率元件64的一個特另優(yōu)選的實施例。低導(dǎo)熱率元件64被有利地制成圓柱銷形，其被裝入在熱片和冷片66和65中形成的槽38中。這些優(yōu)選的低導(dǎo)熱率元件64通過兩個銅的半圓柱沿著導(dǎo)電的、低導(dǎo)熱率的縱向表面經(jīng)過熱壓或熱熔連結(jié)而成。在兩個半圓柱被熱壓或熱熔相互連結(jié)之前，要被疊置的表面被壓花而產(chǎn)生當(dāng)兩個半圓柱被疊置時彼此相交的螺紋。熱壓或熱熔連結(jié)使相交的螺紋頂部熔合在一起，從而提供兩個半圓柱之間的好的導(dǎo)電率，同時在螺紋之間的凹處作為氣孔89而保持打開。在兩個半圓柱被連結(jié)在一起之后，低導(dǎo)熱率元件64被放置在相鄰的熱片和冷片66,65之間，使低導(dǎo)熱率的縱向表面在熱片和冷片之間對分。
為了建立熱電結(jié)，每個低導(dǎo)熱率元件64可以鍍上例如提供互補的高塞貝克電壓的材料層。鍍上的材料可以從包括鉍，康銅，鎳，硒，碲，硅，鍺，銻，鎳鉻合金，鐵，鎘，鎢，金，銅，鋅和銀的組中選擇，并且鉍和銻是分別用于提供p型結(jié)和n型結(jié)的優(yōu)選材料。最佳的n型鍍層應(yīng)當(dāng)是鉍層67Bi，如圖38A所示。最佳的P型鍍層應(yīng)是銻層67sb，如圖38A所示。如圖38A所示，層67Bi和層67Sb在熱片66的相對側(cè)上和在冷片65的相對側(cè)上是不同的。如圖12所示，有螺紋的和被壓扁的有螺紋的p型和n型低導(dǎo)熱率元件64也被鍍上上述材料的導(dǎo)電層67，最好是鉍和銻，它們被設(shè)置使得低導(dǎo)熱率元件64在熱片和冷片66,65的相對側(cè)上具有不同的層67。
如圖38B所示，除去用互補的高塞貝克電壓材料涂鍍低導(dǎo)熱率元件64而形成熱電結(jié)之外，或者代替用互補的高塞貝克電壓材料涂鍍低導(dǎo)熱率元件64而形成熱電結(jié)，在片66,65中的槽38可以用所述材料涂鍍。在每個片65或66的第一側(cè)上的槽38鍍上提供一種類型的熱電結(jié)的材料層例如88Bi，而在每個片65或66的相對側(cè)上的槽38鍍上提供另一種類型的熱電結(jié)的材料層例如88Sb。然后，片66,65被如此設(shè)置，使得相同的材料形成涂鍍接收相同的低導(dǎo)熱率元件64的槽38的層。如果低導(dǎo)熱率元件64不鍍上高的互補塞貝克電壓的材料，也仍然需要匹配接觸同一個低導(dǎo)熱率元件64的熱片和冷片66,65的槽38的材料類型。然而，如果低導(dǎo)熱率元件64被鍍上高的互補塞貝克電壓的材料，則在元件64上的鍍層和在片65或66上的疊置的鍍層應(yīng)當(dāng)是同一種材料。
如圖38C所示，涂鍍片66,65或低導(dǎo)熱率元件64的高的互補塞貝克電壓的材料層可以進(jìn)一步被鍍上一層銅材料87Cu。利用層87Cu再次涂鍍高的互補塞貝克電壓材料層67Bi,67Sb,88Bi，與/或88Sb有助于在每個低導(dǎo)熱率元件64和與其接觸的片66,65之間形成好的電連接。
在圖3-5中，一個圓周裝置保持著輪環(huán)60的片65,66和低導(dǎo)熱率元件64。因而，帶箍61包圍輪環(huán)60，以便承受由循環(huán)電流而產(chǎn)生的洛侖茲力。帶箍61從強度考慮最好是金屬帶，其被圍繞輪環(huán)60(電流存儲器件)固定，以便在電結(jié)點連接處保持預(yù)應(yīng)力。帶箍61包括絕緣間隙63，最好是介電材料例如陶瓷，利用扣環(huán)68和彈簧墊片69被設(shè)置在帶箍61中(圖4)，用以在輪環(huán)60中保持預(yù)應(yīng)力。絕緣間隙63使帶箍61解耦，阻止其成為輪環(huán)60的二次繞組。介電的和熱絕緣的層62被固定在帶箍61和輪環(huán)60之間的帶箍61上，用以阻止帶箍61在電和熱方面使熱電偶短路。在圖5中，環(huán)路還包括多個設(shè)置在熱電偶的輪環(huán)60和帶箍61之間的線圈彈簧72。壓縮的線圈彈簧72使帶箍61保持用以克服洛侖茲力而所需的應(yīng)力，而不管由于溫度變化而使帶箍61收縮與膨脹。
在輪環(huán)60被裝上帶箍61之后，不管被設(shè)置在一對熱片和冷片66,65之間的低導(dǎo)熱率元件64的形狀如何，整個組件在450℃的真空中進(jìn)行熱壓縮連結(jié)5分鐘。在熱壓縮連結(jié)之后，整個輪環(huán)60被鍍上無電的鎳材料，例如高磷處理的，商標(biāo)為MacDermid,Waterbury,Connecticut生產(chǎn)的ELNIC 100。
在圖1和圖17中，在熱片66的加熱端51的用于加熱熱片66的裝置包括在熱片66的下方的風(fēng)冷的燃料燃燒區(qū)79，其具有在燃料燃燒區(qū)上方的排出開口90，每個熱片66的每個加熱端51位于燃料燃燒區(qū)79內(nèi)。在燃料燃燒區(qū)內(nèi)，可以燃燒任何類型的燃料，如在催化燃燒器77中一樣。如圖15所示，每個熱片66G在其和燃燒氣體接觸的無槽的加熱端51上可以鍍上一層鉑或鈀71，用作從燃燒區(qū)排出的氣體的催化轉(zhuǎn)換劑。熱片66上鍍上層71可以減少污染，并阻止熱片66氧化。由熱電發(fā)電機40產(chǎn)生的電輸出電流可以通過控制施加于燃料燃燒區(qū)中的燃料的數(shù)量進(jìn)行控制。
燃料燃燒區(qū)79配備有燃燒器56，其在圖19中表示為一系列的噴氣嘴，通過管道57向其提供的燃料包括由外部箱體50(圖1)供給的壓縮氣流。供給燃燒器56的氣體燃料最好是甲烷，丙烷，或丁烷氣體。燃燒室56還可以被供給氣化的液體燃料例如煤油，柴油，燃油，Jet-A,JP-A,JP-4,JP-6,JP-8和汽油。此外，用于在加熱端51加熱熱片66的裝置可以是核動力熱源。
在圖17中，黑色箱體再加熱器75蓋住熱片66周圍的燃料燃燒區(qū)79，用于把由燃料產(chǎn)生的紅外熱反射回?zé)崞?6，從而增加熱效率。黑色箱體再加熱器75包括具有黑色下表面76和隔板78，用于阻止輻射熱直接從排氣口90排出。在圖1中，熱電發(fā)電機40還包括包圍輪環(huán)60的支撐基體44，蓋43，以及在排氣口上方的柵格42，用于接收烹調(diào)使用的容器。在熱電發(fā)電機40的外部上的手柄41能夠使相當(dāng)輕的發(fā)電裝置容易地攜帶。
在圖17-19中，在冷片65的冷卻端53用于冷卻冷片65的裝置包括冷卻室81或102。冷卻室81或102含有流體82或100，用于從位于流體中的冷片65的冷卻端53帶走熱量。
在圖18中，流體是空氣100，冷卻裝置包括通入冷卻室的空氣入口104，從冷卻室出去的空氣出口101，以及和冷卻室102相通的風(fēng)扇103，用于使空氣100通過冷卻室循環(huán)，從而從冷片65帶走熱量。來自冷卻室的空氣可以通過外部加熱系統(tǒng)105循環(huán)，空氣對加熱系統(tǒng)放出熱量，并且空氣通過風(fēng)扇103經(jīng)冷卻室102再次循環(huán)。
在圖17和圖19中，冷卻流體是液體，例如水82，冷卻室是一個敞開的槽81，冷片65的冷卻端53被浸在水82中，水蒸發(fā)放出蒸汽80，從而冷卻冷片65的冷卻端53。
在圖20中，冷卻流體是液體，例如水82，冷卻室是一個封閉的包圍冷片65的冷卻端53的管道83，并且還包括和管道83相通的泵85。泵85使液體通過管道83循環(huán)，液體接觸冷片65，因而從中帶走熱量。從管道83排出的熱水可以通過外部散熱器86循環(huán)，從而加熱另一個系統(tǒng)并使水冷卻，然后，泵85使水通過管道83再循環(huán)。
在圖22-27中，示出了一種用于從輪環(huán)60吸取電輸出電流的裝置。在這些圖中表示的功率輸出裝置包括具有縱向振動的有螺紋的銜鐵131的開關(guān)70。銜鐵131通過連桿和能夠使銜鐵沿一個方向運動的電磁線圈115耦合。彈簧138迫使銜鐵131沿和電磁線圈115的方向相反的方向運動。在由相似的導(dǎo)電金屬例如工業(yè)純銅制成的熱片和冷片66T,65T之間，形成一個比銜鐵大的有螺紋的孔139。熱片和冷片66T,65T被有螺紋的陶瓷隔離件134隔開(圖27)。有螺紋的銜鐵131在有螺紋的孔139內(nèi)縱向運動。銜鐵131最好由在熱電性能上和制成熱片和冷片66或65的材料不同的金屬制成。銜鐵131和在熱片與冷片66T,65T中形成的有螺紋的孔具有相同螺距的螺紋，它們共同構(gòu)成一個通斷開關(guān)，用于中斷通過輪環(huán)60而循環(huán)的循環(huán)電流。
不同的金屬銜鐵131的縱向運動產(chǎn)生塞貝克電壓，這是由于當(dāng)開關(guān)處于電氣閉合位置時，金屬銜鐵131和熱片與冷片66T,65T的材料接觸。銜鐵131向圖25A所示的上方電氣閉合位置的運動由電磁線圈115實現(xiàn)，向圖25C所示的下方電氣閉合位置的運動由彈簧138實現(xiàn)。當(dāng)銜鐵131處于兩個電氣閉合位置之間時，開關(guān)70處于不和螺紋接觸的打開位置，如圖25B所示，并且通過輪環(huán)60而循環(huán)的電流被中斷，從而產(chǎn)生可用于驅(qū)動外部電氣負(fù)載95的輸出電壓。
一個如圖23,24和26所示的電輸出電路130和圖1所示的熱電發(fā)電機40的外部的電輸出端子39相連。圖23表示振動開關(guān)70打開而在輸出電路130中產(chǎn)生電流I的情況。在圖24中，振動開關(guān)70閉合，因而沒有電流流入輸出電路30。在打開和閉合位置之間的交換對負(fù)載95提供交流電流。包括在輸出電路130中的電容諧振電路133濾除輸出交流中的假信號，從而改善電輸出的質(zhì)量，使其更像正弦波。
圖27所示的熱和冷開關(guān)片66T,65T提供用于向家庭或工業(yè)電負(fù)載95供電的輸出端子135。由輪環(huán)60提供的電氣環(huán)路的交替地打開與閉合產(chǎn)生50/60Hz的120/180V的交流電壓。銜鐵131以輸出電壓的頻率一半的頻率沿縱向振動，所述輸出電壓是由通過中斷循環(huán)電流而引起的圖30所示的磁場143的衰減感應(yīng)的。
在圖22中，為了向電磁線圈115供電，一個正弦波發(fā)生器116從在進(jìn)行操作之后的熱電發(fā)電機40通過電接點114接收功率。為了利用機械裝置啟動熱電發(fā)電機40，一個手操作的單向彈簧供能的振動裝置120被機械地和電磁線圈115相連。通過在樞軸123上旋轉(zhuǎn)，振動裝置120在一般情況下由彈簧122抵靠止點124而偏置。按壓用質(zhì)量121加載的振動裝置的一端將使在相對端的挺桿125啟動電磁線圈115。振動裝置120能夠激勵電磁線圈115振動幾個周期，直到熱電發(fā)電機40的電輸出可以自供電給正弦波發(fā)生器116而驅(qū)動電磁線圈115為止。
在圖21中，用于啟動熱電發(fā)電機的另一種裝置包括手指操作的壓電發(fā)生器110，用于通過推動啟動按鈕111向燃燒室供應(yīng)火焰點火火花118。壓電發(fā)生器110還可以用于在電容器117中存儲電能112，電容器117通過電壓調(diào)節(jié)器113連接，電壓調(diào)節(jié)器用于向正弦波發(fā)生器116供電，以便致動和振動開關(guān)70相連的電磁線圈115，如圖22所示。
在圖28-34中，用于從輪環(huán)60吸取輸出電流的裝置包括霍耳效應(yīng)發(fā)生器140。霍耳效應(yīng)發(fā)生器140包括電磁體147，用于提供垂直于輪環(huán)60中的電流I的磁場137。電接點149和沿著輪環(huán)60的一段設(shè)置在熱片和冷片66,65之間的多個熱電霍耳效應(yīng)元件146串聯(lián)連接。如圖31所示，由小箭頭144指示的熱流從熱片66經(jīng)過熱電霍耳效應(yīng)元件146流向冷片65。同時，由大箭頭145表示的大電流通過輪環(huán)60循環(huán)。垂直于電流145施加的外部磁場137在熱電霍耳效應(yīng)元件上感應(yīng)電壓。圖32所示的電輸出電路和串聯(lián)連接的熱電霍耳效應(yīng)元件146相連，因而可以從熱電發(fā)電機40吸取用于操作電負(fù)載95的電能，而不中斷輪環(huán)60中的電流I。熱電元件146的一個優(yōu)選的形式是一個由鎳和銅制成的橢圓件，分別用于低導(dǎo)熱率元件和導(dǎo)體，在橢圓件上在有螺紋的結(jié)構(gòu)中鍍上不同的金屬。
圖28說明被垂直于輪環(huán)60中的電流I而施加的磁場137在輪環(huán)上產(chǎn)生垂直于電流和外部磁場137的電壓。這一橫向電壓叫做霍耳電壓。該電壓是由于施加的磁場137使電流136在導(dǎo)體中擠向一邊而產(chǎn)生的。如果磁場137改變極性(實際上是正弦波)，霍耳電壓也將是正弦的，從而產(chǎn)生交流電壓。如圖29,32和34所示,磁場137由串聯(lián)連接的線圈148產(chǎn)生，線圈148和串聯(lián)連接的熱電霍耳效應(yīng)元件146并聯(lián)。場效應(yīng)器件141也和線圈148串聯(lián)，其可以中斷通過線圈148的產(chǎn)生外部磁場137的電流。這樣，通過場效應(yīng)器件141的打開和閉合，外部施加的磁場137可以被交替地提供給熱電霍耳效應(yīng)元件146并然后從熱電霍耳效應(yīng)元件146除去。用這種方式，從輪環(huán)60吸取的電功率向外部負(fù)載95供電，并提供由霍耳效應(yīng)元件146所產(chǎn)生的電能。
通過使用三個獨立的霍耳效應(yīng)發(fā)生器140，可以得到具有三個不同輸出的三相功率，每個霍耳效應(yīng)發(fā)生器包括霍耳效應(yīng)元件146，用于產(chǎn)生外部施加的磁場147的線圈148，以及場效應(yīng)器件141。對于為產(chǎn)生三相功率所需的每個霍耳效應(yīng)發(fā)生器140的外部施加的磁場的協(xié)調(diào)，通過響應(yīng)來自微處理器-控制器的信號，控制場效應(yīng)器件141的通斷來實現(xiàn)。通過檢測電網(wǎng)的操作，并使發(fā)電機40產(chǎn)生的相和輸出頻率與電網(wǎng)相匹配，可以產(chǎn)生和電網(wǎng)同相的三相功率。
圖39說明從輪環(huán)60產(chǎn)生電功率的另一種技術(shù)。在圖39中，電容器160沿直徑方向和輪環(huán)60相連，借以和輪環(huán)60的電感形成并聯(lián)諧振電路科耳皮茲振蕩器159。一個電操作的短路開關(guān)161和位于輪環(huán)60的一半上的多個熱電結(jié)并聯(lián)。開關(guān)161的交替地打開和閉合激勵科耳皮茲振蕩器159在其固有諧振頻率下振蕩，固有諧振頻率由輪環(huán)60的電感的1/4和電容器160的電容確定。因而，由圖39中雙箭頭表示的交流電壓162出現(xiàn)在和電容器160以及輪環(huán)60相連的端子163之間。交流電壓162可以用來驅(qū)動外部負(fù)載95。和一個端子163相連的整流二極管164對交流電壓整流，同時電容器165對整流的交流電壓濾波，從而產(chǎn)生端子166之間的直流電壓，該電壓也可以用于驅(qū)動外部負(fù)載。
這種新型發(fā)電機的應(yīng)用范圍包括從緊急家用電源、家用電機和改造的空氣調(diào)節(jié)設(shè)備到第三世界國家的農(nóng)村用電。發(fā)電機40全部是固態(tài)的，沒有被磨損的運動部件，操作時沒有噪聲，采用不銹鋼結(jié)構(gòu)。這種5kw的發(fā)電機40重12kg(27 1bs)，其中包括1小時的燃料供給。此時的熱電效率為12％，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的熱電發(fā)電機，而為煤油/柴油發(fā)電機的效率的一半。這種熱電發(fā)電機的重量是蒸汽發(fā)電機重量的1/10，由于體積、重量、容量和成本，這種發(fā)電機對于便攜式應(yīng)用具有很大的實用性。
如圖36所示，如果電流流經(jīng)構(gòu)成輪環(huán)60的熱電結(jié)，珀爾帖效應(yīng)將產(chǎn)生溫度梯度。熱量在冷邊151A被吸收，在熱邊150A被排出，這樣便產(chǎn)生安靜態(tài)的制冷能力。熱電制冷器也是非常穩(wěn)定的，因而可以用于激光二極管或電子元件例如電荷耦合器件、紅外檢測器、低噪聲放大器和計算機芯片的溫度穩(wěn)定。從標(biāo)準(zhǔn)的含氯氟烴和溫室制冷氣體對環(huán)境的影響以及計算機和電子設(shè)備需要小容量的局部冷卻看來，熱電領(lǐng)域需要比當(dāng)前存在的較高性能的室溫材料。此外，作為低溫電子學(xué)領(lǐng)域(利用高轉(zhuǎn)變溫度的超導(dǎo)材料)，愈加需要較低溫度(100-200K)和較高性能的熱電器件。
熱電概念也可以考慮用于汽車工業(yè)而用于下一代的交通工具中，不僅為了運輸，而且為了控制氣候。其它可能的汽車應(yīng)用包括從使用發(fā)電機余熱發(fā)電到為了舒服而為座位冷卻器供電或電子元件的冷卻。這些材料目前的最通常的應(yīng)用是小的熱電冷暖器，在許多零售店售價為80-100$。這種設(shè)備只需輕按一下開關(guān)便可冷卻到大約25℃以下，加熱到大約55℃以上的環(huán)境溫度。它還可以被裝入汽車車燈中或由小的直流電源操作，在遠(yuǎn)離交流插座或提供冰的情況下是有用的。這種冷卻器的一種較大的形式可能是重要的，例如，在生物應(yīng)用中用于標(biāo)本的溫度穩(wěn)定，以及僅僅用于保持冷飲的溫度。高性能的熱電單元40最初是為5000w的發(fā)電機而研制的，雖然不打算用作冷卻器，但是仍然能夠提供熱電制冷，因為在5000w的發(fā)電機設(shè)計中使用了同樣先進(jìn)的材料系統(tǒng)，使得也可以作為固態(tài)冷卻器。
圖40說明一種用于操作熱電單元40進(jìn)行制冷的方法。在圖40中，一個磁線圈170包圍著輪環(huán)60。在磁線圈170上的繞組171和電子開關(guān)172串聯(lián)連接，并和串聯(lián)連接的電容173和電阻174相串聯(lián)。提供給電子開關(guān)172的驅(qū)動信號交替地接通和打開串聯(lián)電路，在串聯(lián)連接的電阻174，電容173和繞組171上施加電壓V。在這串聯(lián)連接的電路上施加的電壓周期地且重復(fù)地向輪環(huán)60中注入由圖40小箭頭表示的電流175，被疊加在大得多的循環(huán)電流176(例如10000安培)上。用這種方式注入輪環(huán)的電流產(chǎn)生被從冷片65向熱片66傳遞的熱量，從而使輪環(huán)60作為熱電制冷器工作。
熱電單元40的其它應(yīng)用包括發(fā)電機和在應(yīng)用中的存儲性能，例如對電動汽車充電并用作電動汽車的交流電源，作為工業(yè)應(yīng)用的削峰器，用于民用部分的電力保護(hù)系統(tǒng)，以及用作電力工業(yè)的600Mwh的晝夜電網(wǎng)整平器。
雖然本發(fā)明根據(jù)本最佳實施例進(jìn)行了說明，但是，應(yīng)該理解，這些說明純屬說明而已，并不限制本發(fā)明。例如，雖然本發(fā)明根據(jù)熱電結(jié)組的環(huán)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明的環(huán)形形式對于力的對稱，容易制造和裝配而言是最佳的。即，所有的或基本上所有的依次排列在組中而構(gòu)成熱電發(fā)電與/或制冷單元的元件的形狀相同，借以簡化其制造和裝配而成為可操作的單元。不過，本發(fā)明的熱電組可以設(shè)計為和輪環(huán)60不同的其它形狀，例如，由熱電元件構(gòu)成的橢圓形的閉合環(huán)路，矩形的閉合環(huán)路六角形的閉合環(huán)路等。因而，下面的權(quán)利要求旨在包括熱電元件組的所有的幾何結(jié)構(gòu)，其形成一個閉合環(huán)路，電流通過這種閉合環(huán)路而循環(huán)。因而，不脫離本發(fā)明的范圍和構(gòu)思，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本說明之后，可以作出本發(fā)明的各種改變、改型與/或替代的應(yīng)用。因而，下面的權(quán)利要求旨在包括落在本發(fā)明范圍和構(gòu)思之內(nèi)的所有這些改變、改型和替代應(yīng)用。
權(quán)利要求
1一種適用于或者發(fā)電或者制冷的熱電單元，所述熱電單元利用在緊密疊置的熱電偶的閉合環(huán)路中的大的循環(huán)電流，所述熱電單元包括被設(shè)置而形成閉合環(huán)路的一系列熱電偶，每個熱電偶包括熱片和冷片，以及夾在每對直接相鄰的熱片和冷片之間的導(dǎo)電的、低導(dǎo)熱率元件，每個熱片被制成具有接觸端和加熱端的細(xì)長形狀，每個冷片被制成具有接觸端和冷卻端的細(xì)長形狀；每個熱片和冷片由高電導(dǎo)率材料制成，在接觸端被至少一個低導(dǎo)熱率元件分開并和低導(dǎo)熱率元件接觸，形成在片和低導(dǎo)熱率元件之間的連接的材料為熱電偶提供互補的高塞貝克電壓，借以在加熱熱片的受熱端以及在冷卻冷片的受冷端時，一個電流通過閉合的熱電偶環(huán)路循環(huán)；以及用于保持熱電偶使其被設(shè)置在閉合環(huán)路中的圓周裝置。
2如權(quán)利要求1所述的熱電單元，其中低導(dǎo)熱率元件被如此構(gòu)成，使得其具有和熱片與冷片的小的表面積接觸，從而減少其間的熱傳遞。
3如權(quán)利要求2所述的熱電單元，其中低導(dǎo)熱率元件具有和熱片與冷片接觸的有螺紋的外部表面。
4如權(quán)利要求3所述的熱電單元，其中低導(dǎo)熱率元件被局部地壓扁，借以減少相鄰的熱片和冷片之間的電流通過閉合環(huán)路的距離。
5如權(quán)利要求3所述的熱電單元，其中每個熱片和冷片在每個片的相對側(cè)上形成有至少一個槽，用于接收一個低導(dǎo)熱率元件，借以減少通過閉合環(huán)路的電流行進(jìn)的距離。
6如權(quán)利要求5所述的熱電單元，其中低導(dǎo)熱率元件和在熱片與冷片中的槽被鍍上不同的金屬，作為片和為熱電偶提供互補的高塞貝克電壓的低導(dǎo)熱率元件之間的連接。
7如權(quán)利要求6所述的熱電單元，其中不同的金屬從包括鉍，康銅，鎳，硒，碲，硅，鍺，銻，鎳鉻合金，鐵，鎘，鎢，金，銅，鋅和銀的組中選擇。
8如權(quán)利要求1所述的熱電單元，其中熱片和冷片在每個片的第一側(cè)和第二側(cè)形成有至少一個槽，每個槽接收一個低導(dǎo)熱率元件，借以減少通過閉合環(huán)路的電流行進(jìn)的距離；以及低導(dǎo)熱率元件由沿著導(dǎo)電的、低導(dǎo)熱率的縱向表面相互鄰接的兩半構(gòu)成，低導(dǎo)熱率元件的方位被這樣設(shè)置，使得低導(dǎo)熱率表面位于接觸低導(dǎo)熱率元件的熱片和冷片之間，借以減少熱片和冷片之間的熱傳導(dǎo)。
9如權(quán)利要求8所述的熱電單元，其中每個低導(dǎo)熱率元件被鍍上一層材料，作為片和為熱電偶提供互補的高塞貝克電壓的低導(dǎo)熱率元件之間的連接，所述材料從包括鉍，康銅，鎳，硒，碲，硅，鍺，銻，鎳鉻合金，鐵，鎘，鎢，金，銅，鋅和銀的組中選擇。
10如權(quán)利要求9所述的熱電單元，其中鍍在每個低導(dǎo)熱率元件上的鍍層被再鍍上一層導(dǎo)電層。
11如權(quán)利要求8所述的熱電單元，其中在每個片的第一側(cè)上的槽被鍍上一層材料，作為片和為熱電偶提供互補的高塞貝克電壓的低導(dǎo)熱率元件之間的連接，所述材料從包括鉍，康銅，鎳，硒，碲，硅，鍺，銻，鎳鉻合金，鐵，鎘，鎢，金，銅，鋅和銀的組中選擇；以及其中在每個片的第二側(cè)上的槽被鍍上一層材料，作為片和為熱電偶提供互補的高塞貝克電壓的低導(dǎo)熱率元件之間的連接，所述材料也從包括鉍，康銅，鎳，硒，碲，硅，鍺，銻，鎳鉻合金，鐵，鎘，鎢，金，銅，鋅和銀的組中選擇，并且在每個片的第二側(cè)上形成鍍層的材料具有相對于在每個片的第一側(cè)上形成鍍層的材料相反的塞貝克電壓，這些片被如此設(shè)置，使得相同的材料形成接收相同的低導(dǎo)熱率元件的槽中的鍍層。
12如權(quán)利要求11所述的熱電單元，其中在每個片上的槽中的鍍層再被鍍上一層導(dǎo)電層。
13如權(quán)利要求1所述的熱電單元，其中用于保持熱電偶被設(shè)置在閉合環(huán)路中的圓周裝置包括一個帶箍，其包圍熱電偶的閉合環(huán)路，用于承受在閉合環(huán)路中產(chǎn)生的洛侖茲力，帶箍圍繞閉合環(huán)路被固定，用于對熱片和冷片以及熱電單元的低導(dǎo)熱率元件施加預(yù)應(yīng)力，并且?guī)Ч堪ㄒ粋€絕緣間隙，用于使作為二次繞組和通過熱電偶的閉合環(huán)路而循環(huán)的電流耦合的帶解耦。
14如權(quán)利要求13所述的熱電單元，還包括被固定在熱電偶的閉合環(huán)路和帶箍之間的多個線圈彈簧，所述線圈彈簧通常處于壓縮狀態(tài)，以便使帶箍保持用于克服洛侖茲力所需的應(yīng)力，而不管由于溫度變化而使閉合環(huán)路收縮與膨脹。
15如權(quán)利要求1所述的熱電單元，還包括用于對熱片的受熱端提供熱量的片加熱裝置；用于從冷片的受冷端除去熱量的片冷卻裝置；以及功率輸出裝置，用于從閉合環(huán)路中吸取電輸出電流，以便使熱電單元成為熱電發(fā)電機。
16如權(quán)利要求15所述的熱電單元，其中熱片的受熱端被鍍上從包括鉑和鈀的組中選擇的材料，從而為從片加熱裝置排出的氣體提供催化轉(zhuǎn)換劑，借以減少污染和熱片的氧化。
17如權(quán)利要求15所述的熱電單元，其中片加熱裝置包括位于熱片下方的風(fēng)冷的燃料燃燒區(qū)，在燃料燃燒區(qū)的上方具有排氣口，熱片的受熱端位于燃料燃燒區(qū)中。
18如權(quán)利要求17所述的熱電單元，其中燃料燃燒區(qū)還包括一系列的氣體噴嘴，其接收由被送入氣體噴嘴的壓縮氣流構(gòu)成的燃料。
19如權(quán)利要求18所述的熱電單元，其中壓縮氣體從包括甲烷，丙烷和丁烷的組中選擇。
20如權(quán)利要求17所述的熱電單元，還包括在熱電單元的頂部在排氣口的上方的柵格，用于接收烹調(diào)容器。
21如權(quán)利要求17所述的熱電單元，還包括在燃料燃燒區(qū)內(nèi)在熱片周圍的黑色箱體再加熱器，用于把燃料產(chǎn)生的紅外熱量反射回?zé)崞?br> 22如權(quán)利要求17所述的熱電單元，其中燃料燃燒區(qū)還包括燃燒器，用于接收從包括煤油，柴油燃料，燃油，Jet-A,JP-4,JP-6,JP-8和汽油的組中選擇的氣化的液體燃料。
23如權(quán)利要求15所述的熱電單元，其中片加熱裝置包括核動力熱源。
24如權(quán)利要求15所述的熱電單元，其中片冷卻裝置包括被設(shè)置在熱電單元中的冷卻室，冷片的受冷端位于冷卻室內(nèi)，冷卻室適用于保持流體，用于從位于冷卻室內(nèi)的冷片的受冷端帶走熱量。
25如權(quán)利要求24所述的熱電單元，其中所述流體是空氣，并且還包括通向冷卻室的空氣入口和從冷卻室出去的空氣出口，以及和冷卻室連通的風(fēng)扇，用于使空氣通過冷卻室循環(huán)，以便從冷片帶走熱量。
26如權(quán)利要求25所述的熱電單元，其中來自冷卻室的空氣通過外部加熱系統(tǒng)循環(huán)，空氣對加熱系統(tǒng)放出熱量，然后被風(fēng)扇吹回通過冷卻室循環(huán)。
27如權(quán)利要求24所述的熱電單元，其中所述流體是液體，冷卻室是敞開的槽，冷片的受冷端被浸在液體中。
28如權(quán)利要求24所述的熱電單元，其中流體是液體，冷卻室是包圍冷片的受冷端的封閉的管道，熱電單元還包括和管道連通、用于通過管道抽吸液體的泵，液體和冷片接觸，并從中帶走熱量。
29如權(quán)利要求28所述的熱電單元，其中來自封閉管道的流體通過用于冷卻流體的外部散熱器循環(huán)，然后，通過管道進(jìn)行再循環(huán)。
30如權(quán)利要求15所述的熱電單元，其中用于從閉合環(huán)路中吸取電輸出電流的功率輸出裝置包括開關(guān)，其包括導(dǎo)電的、沿縱向振動的有螺紋的銜鐵，用于帶動銜鐵沿一個方向縱向運動的電磁線圈，以及用于推動銜鐵沿相反方向縱向運動的彈簧；比銜鐵較大的有螺紋的孔，其形成在由有螺紋的陶瓷隔離件保持分開的一對片之間，在較大的有螺紋的孔內(nèi)，銜鐵可以縱向運動，銜鐵和孔具有螺距相同的螺紋，它們共同形成通斷開關(guān)，用于響應(yīng)銜鐵的縱向運動打開和閉合電流環(huán)路，銜鐵從一個由電磁線圈實現(xiàn)的電閉合位置運動到由彈簧實現(xiàn)的另一個電閉合位置，并且當(dāng)銜鐵處于這兩個電閉合位置之間時，閉合環(huán)路中的電流被中斷，從而產(chǎn)生經(jīng)電輸出電路驅(qū)動外部電負(fù)載的電輸出。
31如權(quán)利要求30所述的熱電單元，其中電輸出電路包括電容諧振電路。
32如權(quán)利要求30所述的熱電單元，還包括正弦波發(fā)生器，其和電磁線圈相連，并且在熱電單元開始工作從而驅(qū)動外部電負(fù)載之后，接收來自熱電單元的電功率，以及一個手操作的激勵裝置，其和有螺紋的銜鐵以及電磁線圈機械地連接，用于啟動有螺紋的銜鐵以及電磁線圈的振動，直到熱電單元的電輸出可以為正弦波發(fā)生器的操作供電為止。
33如權(quán)利要求30所述的熱電單元，還包括正弦波發(fā)生器，其和電磁線圈相連，并且在熱電單元開始工作從而向電磁線圈供電之后，接收來自熱電單元的電功率；以及手指操作的壓電裝置，用于存儲電能，以便向正弦波發(fā)生器供電。
34如權(quán)利要求30所述的熱電單元，其中形成有螺紋的銜鐵和有螺紋的孔之間的連接的材料提供互補的高塞貝克電壓。
35如權(quán)利要求15所述的熱電單元，其中用于從閉合環(huán)路吸取電輸出電流的功率輸出裝置包括霍耳效應(yīng)開關(guān)，其包括用于施加垂直于閉合環(huán)路中的電流的磁場的裝置，連接在閉合環(huán)路的一部分上的電接點，以及和所述接點相連的電輸出電路，使得用于操作外部電負(fù)載的電能可以在不中斷閉合環(huán)路中的電流的情況下被取出。
36如權(quán)利要求35所述的熱電單元，包括和閉合環(huán)路相連的具有三個不同輸出的三個霍耳效應(yīng)開關(guān)，并合適地施加垂直的磁場，以便產(chǎn)生三相電功率。
37如權(quán)利要求15所述的熱電單元，其中用于從閉合環(huán)路吸取電輸出電流的功率輸出裝置包括和閉合環(huán)路的一組熱電偶并聯(lián)的電子開關(guān)，其可以被閉合，從而使所述一組熱電偶電氣短路；和閉合環(huán)路的一組熱電偶并聯(lián)的電容器，借以和閉合環(huán)路的電感形成并聯(lián)諧振電路；以及電子開關(guān)驅(qū)動裝置，用于使電子開關(guān)交替地打開和閉合，借以在電容器上感應(yīng)交流電壓，用于驅(qū)動外部電負(fù)載。
38如權(quán)利要求37所述的熱電單元，還包括用于把電容器上的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓的整流器。
39如權(quán)利要求1所述的熱電單元，還包括用于從熱片的受熱端移去熱量的片冷卻裝置；用于向冷片的受冷端供應(yīng)熱量的片加熱裝置；以及用于向閉合環(huán)路提供電輸入電流，借以使熱電單元成為熱電制冷器的電源裝置。
全文摘要
一系列緊密疊置的熱電偶形成一個輪環(huán)(60),其被電絕緣的帶箍(61)保持在壓縮狀態(tài)以便抵抗洛侖茲力。通過低導(dǎo)熱率元件(64)和在熱片與冷片(66和65)中形成的槽(38)來實現(xiàn)減少電路路徑長度而使得在輪環(huán)(60)中流通大電流。通過減少熱片和冷片(66和65)之間的熱傳遞產(chǎn)生較高的循環(huán)電流。在熱片和冷片(66和65)與低導(dǎo)熱率元件(64)之間形成的熱電結(jié)最好由不同材料的鍍層(67)構(gòu)成,所述材料包括鉍,康銅,鎳,硒,碲,硅,鍺,銻,鎳鉻合金,鐵,鎘,鎢,金,銅,鋅和銀。作為熱電發(fā)電機(40)操作時,可以使用振動機械開關(guān)(70)、霍耳效應(yīng)發(fā)生器(140)、或科耳皮茲振蕩器(159)中任何一個從循環(huán)電流吸取電功率。
文檔編號H01L35/20GK1224534SQ97196104
公開日1999年7月28日 申請日期1997年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月9日
發(fā)明者J·M·施勒德 申請人:特萊珀特國際股份有限公司